Die Rolle von Early Growth Response 1 bei der Regulation von Timp1, Tenascin C und Elastin während des kompensatorischen Lungenwachstums und der postnatalen Alveolarisierung

Abstract

Unilaterale Pneumonektomie (PNX) und die damit einhergehenden mechanischen Veränderungen führen bei adulten Mäusen zu einem rapiden kompensatorischen Lungenwachstum des verbliebenen Lungenflügels. Im Zuge dieses Kompensationsprozesses kommt es dabei über eine Neubildung von Alveolen und anderen Prozessen zu einer nahezu vollständigen Wiederherstellung des verlorenen gasaustauschenden Gewebes. Bis heute ist kaum verstanden, welche molekularen Mechanismen dem kompensatorischen Lungenwachstum zu Grunde liegen und ob damit eine Reaktivierung von Prozessen der Lungenentwicklung (Alveolarisierung) verbunden ist. Elastische Fasern, deren Bildung ein entwicklungsspezifisches Expressionsprogramm erfordert, stellen mit ihrem Hauptbestandteil Elastin eine wichtige Komponente der alveolaren Extrazellularmatrix dar. Dabei nehmen sie eine zentrale Rolle bei der Alveolarisierung ein. Da es sich bei dem kompensatorischen Lungenwachstum, wie bei der Lungenentwicklung, um einen aktiven Prozess handelt, erfordert die Reorganisation der Extrazellularmatrix die Anwesenheit Extrazellularmatrix-modulierender Faktoren wie die des anti-adhäsiven und migrationsfördernden Proteins Tenascin C (TnC) und dem endogenen Matrixmetalloproteinase (MMP)-Inhibitor Timp1. Im Rahmen dieser Arbeit konnte anhand einer vergleichenden Expressionsanalyse gezeigt werden, dass es während des kompensatorischen Lungenwachstums und der damit einhergehenden Neoalveolarisierung nicht zu einer Rekapitulation des für die Bildung funktioneller elastischer Fasern erforderlichen koordinierten Genexpressionsprogramms der Entwicklung kommt. Dies deutet darauf hin, dass keine neuen elastischen Fasern während des kompensatorischen Lungenwachstums gebildet werden, oder ein weiterer alternativer Assemblierungsmechanismus existiert. Weiterhin war die während des kompensatorischen Lungenwachstums induzierte Expression von Elastin von dem Transkriptionsfaktor (Early Growth Response 1 (Egr1) reguliert, dessen mRNA-Expression voraussichtlich via Mechanotransduktion unmittelbar nach PNX, aber nicht während der postnatalen Alveolarisierung hochreguliert war. Nicht nur als Folge hiervon wiesen pneumonektomierte Egr1 -/- Mäuse ein beeinträchtigtes kompensatorisches Lungenwachstum auf. Eine nähere Charakterisierung des endogenen Matrixmetalloproteinase-Inhibitors Timp1 zeigte, dass dessen Expression während des kompensatorischen Lungenwachstums sehr stark sowie nahezu dauerhaft hochreguliert war und diese Expression ebenfalls über Egr1 reguliert wurde. Dabei scheint Timp1 MMP-abhängige und MMP-unabhängige Funktionen während des kompensatorischen Lungenwachstums zu vermitteln. Bei pneumonektomierten Timp1 -/- Mäusen wurde eine beeinträchtigte Regeneration der alveolaren Oberfläche beobachtet. Weiterhin führte eine Deletion des Gens für Timp1 zu einer veränderten Lungenstruktur und Lungenfunktion. Für das Extrazellularmatrix-assoziierte Protein Tenascin C, welches während der Alveolarisierung sehr stark exprimiert wird, konnte ebenfalls eine signifikante Egr1-unabhängige Steigerung der Expression während des kompensatorischen Lungenwachstums festgestellt werden, wobei eine Deletion des Gens für TnC allgemeine Folgen für die Lungenstruktur und die Lungenfunktion hatte. Die stereologische Analyse von pneumonektomierten TnC -/- Mäusen zeigte, dass das kompensatorische Lungenwachstum bei verschiedenen Mausinzuchtstämmen eine zeitlich unterschiedliche Progression aufzuweisen scheint. Mit der vorgelegten Studie konnte ein erster Einblick in einen funktionellen Mechanismus des kompensatorischen Lungenwachstums gewonnen werden. Eine weitere Erforschung der Egr1 gesteuerten Regulation von Elastin und Timp1 könnte als neue Grundlage innovativer therapeutischer Ansätze für diverse Lungenerkrankungen, welche mit dem Umbau/Verlust von Alveolen einhergehen, dienen. Unilateral pneumonectomy and for this reason associated mechanical changes lead to a rapid compensatory lung growth in adult mice. In course of this compensational process a nearly complete restoration of the lost respiratory tissue occurs, including neoalveolarization. Currently, still little is known about the molecular mechanims driving compensatory lung growth and if also a recapitulation of developmental processes (alveolarization) is involved. Elastic fibers with their main component Elastin are an important constituent of the extracellular matrix and the assembly of elastic fibers requires a complicated temporal and spatial expression programm which seems to be specific for development. Furthermore, elatic fibers are crucial for alveolarization. As lung development compensatory lung growth is an acitve process which includes a reorganisation of the extracellular matrix. Therefore extracellular matrix modulating factors like the anti-adhesive/migration promoting protein Tenascin C (TnC) and the endogenous inhibitor of matrixmetalloproteinases Timp1 are needed. By performing a comparative gene expression analysis this study could show that the coordinated developmental gene expression programm required for the assembly of functional elastic fibers is not recapitulated during compensatory lung growth indicating that no new elastic fibers are formed or assembly is driven by an alternative mechanism during compensatory lung growth. In addition, the in the course of compensatory lung growth induced expression of elastin was regulated by the transcription factor early growth response 1 (Egr1) whose mRNA expression is upregulated immediately after PNX but not during postnatal alveolarization presumably via mechanotransduction. As a consequence of this compensatory lung growth was impaired in pneumonectomized Egr1 -/- mice. Further characterisation of the matrixmetalloproteinase (MMP) inhibitor Timp1 showed that Timp1 expression which was constantly upregulated during compensatory lung growth was also regulated by Egr1. Presumably Timp1 contributes with its MMP-depend and MMP-independent functions to compensatory lung growth while an impaired regeneration of alveolar surface area has benn observed in pneumonectomized Timp1 -/- mice. Deletion of Timp1 gene also leads to an altered lung structure as well as lung function. The extracellular matrix-associated protein TnC which is highly expressed during alveolarization was found to be also significantly upregulated during compensatory lung growth by an independent mechanism apart from Egr1. Lungs of TnC -/- mice demonstrated alterations in structure and function. Stereological analysis of pneumonectomized TnC -/- mice revealed that temporal progression of compensatory lung growth seems to be without regard to a deletion of TnC different in distinct mouse inbred strains. This study delivers first insights into a functional mechanism of compensatory lung growth. Further research on the shown Egr1 driven regulation of elastin and Timp1 could be a novel basis for innovative therapeutical strategies leading to a successful induction of (neo)alveolarization in adult mammals.